一種光子晶體光纖耦合器及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種光子晶體光纖耦合器及其制備方法，該光子晶體光纖耦合器中兩根相同的光子晶體光纖經側面拋磨掉一半并通過光膠技術貼合拋磨面，形成Y分支光子晶體光纖波導結構，Y分支光子晶體光纖頂點端面結構與原光子晶體光纖相同，將Y分支光子晶體光纖頂點與單根光纖或另一個Y分支光子晶體光纖頂點熔接（對接），得到基于分波陣面原理的光子晶體光纖耦合器，利用本發明可得到1×2或2×2光子晶體光纖耦合器。本發明的光子晶體光纖耦合器具有結構靈活、插入損耗低、耦合性能優良、適用范圍廣等特點。
【專利說明】一種光子晶體光纖耦合器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光子晶體光纖應用領域，涉及一種光子晶體光纖耦合器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]光子晶體光纖(PCF)是在純石英光纖中沿軸向周期性均勻排列著波長量級的空氣孔從而構成微結構包層，屬二維光子晶體。由于光子晶體光纖具有無截止單模傳輸、大模場面積、高非線性、可控色散等優越的光學特性，基于光子晶體光纖的理論分析、實驗研究以及器件研制等，已經成為當前光學領域最炙手可熱的研究課題。
[0003]光子晶體光纖耦合器(PCFC)是光子晶體光纖應用中的重要器件，目前PCFC按制作技術可以分為三類:熔錐型光子晶體光纖耦合器、側面打磨型光子晶體光纖耦合器、雙芯或多芯光子晶體光纖耦合器。熔融拉錐法是將幾根光子晶體光纖進行火焰加熱或激光加熱拉錐，但會使光子晶體光纖的空氣孔塌縮，破壞其波導結構，從而產生較大的損耗。2002年Byeong Ha Lee在OPTICS LETTERS雜志的“Photonic crystal fiber coupler”2002,V.27,N0.10,812-814文章公開了熔融拉錐法制作PCFC，但其插入損耗高達20dB ;其后關于熔融拉錐法制作PCFC報道中，耦合器插入損耗也在IOdB以上。多芯光子晶體光纖依靠雙芯光子晶體光纖的雙芯之間存在的功率轉換實現耦合，雖然有多樣而可控的耦合特性，但這類實驗都是通過激光直接射入、成像設備直接檢測輸出，大大限制了其應用范圍。目前常用的PCFC制作技術是側面打磨型光子晶體光纖耦合器。2004年OPTICS LETTERS雜志，HokyungKim 等人題為“Tunable photonic crystal fiber coupler based on aside-polishingtechnique” 2004，V.29，N0.11,1194-1196的文章公開了一種利用光子晶體光纖側邊打磨的方法制作光子晶體光纖耦合器，并通過調整拋磨面的匹配角度實現分光比調節，其插入損耗大于3dB。該方法執行簡單，但結構靈活性差；同時為保證足夠強的耦合現象，光子晶體光纖的拋磨深度必須足夠大，這就改變了光纖拋磨區內光束的等效折射率，引起較大的輻射模損耗，此外耦合器中耦合比對波長的敏感也影響PCF的帶寬平坦性。2009年OPTICSLETTERS 刊登了 Joo Beom Eom 題為 “2 X 2photonic crystal fiber splitter based onsilica-based planar lightwave circuits”2009, V.34, N0.23, 3737-3739 的文章，公開了一種通過平面光波導(PLC)分束器實現光子晶體光纖分束耦合的方法，但是由于采用了平面光波導分束器，光子晶體光纖與波導連接點非常多，接續損耗大，極大影響了光子晶體光纖耦合器的耦合效率。
[0004]為克服上述側面打磨型光子晶體光纖耦合器存在的問題，本發明提供了一種分支光波導結構的全光子晶體光纖耦合器設計方案。本發明的光子晶體光纖耦合器以分波陣面的形式實現分光:光束傳播至光纖分支點時波陣面被平緩分割為兩部分并進入各自的分支光纖，分開的兩束光具有相同的相位，振幅則與分支處各光纖纖芯所占的面積以及傾斜角度相關。該方案打破了常規光子晶體光纖耦合原理，有效的避免了因光子晶體光纖結構破壞引入的泄露模損耗，具有良好實用價值。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種新的光子晶體光纖耦合器及其制作方法。根據本發明產生的光子晶體光纖耦合器具有結構簡單、組裝靈活、損耗低等優點，具有分光比與波長無關等耦合特性。
[0006]本發明米用的技術方案為:一種光子晶體光纖稱合器，包括一個Y分支光子晶體光纖與一個單根光纖，或者兩個Y分支光子晶體光纖，將兩根相同光子晶體光纖側邊拋磨掉一半并貼合拋磨面，形成Y分支結構光子晶體光纖，Y分支光子晶體光纖的頂點端面與單根光子晶體光纖的端面相同，將Y分支光子晶體光纖頂點與單根光纖或另一個Y分支光子晶體光纖頂點熔接或對接，形成光子晶體光纖耦合器。
[0007]根據本發明的光子晶體光纖耦合器，其中，所述的光子晶體光纖為實芯光子晶體光纖或空芯光子晶體光纖,包括保偏和非保偏光子晶體光纖。
[0008]根據本發明的光子晶體光纖耦合器，其中，將Y分支光子晶體光纖頂點與單根光纖連接可獲得1X2光子晶體光纖耦合器；將Y分支光子晶體光纖與另一個Y分支光子晶體光纖頂點連接可獲得2X2光子晶體光纖耦合器。熔接/對接過程中，在耦合器一側打光，并在另一側的兩根光子晶體光纖端口用光功率計監測光功率，以達到最低接續損耗。
[0009]根據本發明的光子晶體光纖耦合器，其中，Y分支光子晶體光纖的導光和分束特性與常規Y分支波導類似。光束從Y分支光子晶體光纖頂點輸入時，光束在平坦段纖芯內傳播與單根光纖相同，進入過渡段纖芯時纖芯緩慢展寬，滿足場的連續性條件，不會激發起高階模，僅是基模的寬度隨著波導的變寬而不斷變寬并按相應分光比進入兩個分支光纖，兩束光相位相同，光強比近似等于分支點的光纖纖芯面積比，理想情況下其插入損耗只有分支纖芯交叉的張角產生的輻射模損耗。
[0010]根據本發明的光子晶體 光纖稱合器，其中，兩根光子晶體光纖貼合后光纖分支張角小于2°，以減小分支散射損耗。研磨區過渡段的長度決定光纖張角，二者關系近似為:
。.(D-d\
[0011]a = I arctan -
y
V 1 y
[0012]其中，α為光纖張角，d為纖芯直徑，D為包層直徑。
[0013]根據本發明的光子晶體光纖耦合器，其中，若拋磨后的兩根光纖貼合后不做切割處理，則其本身就是一個2X 2光子晶體光纖耦合器。
[0014]本發明另外提供一種光子晶體光纖耦合器的制備方法，其中，所述的Y分支光子晶體光纖由兩根側面拋磨后的光子晶體光纖貼合形成，其制備過程為:
[0015]I)研磨前對研磨方向進行定位，使兩根光子晶體光纖的研磨方向相同，保偏光子晶體光纖的研磨方向選擇須不影響貼合后光纖的保偏結構；
[0016]2)分別研磨光子晶體光纖，研磨深度為包層直徑的一半，可根據分光比要求改變研磨區過渡段的彎曲半徑，并對研磨面做拋光處理；
[0017]3)采用光膠工藝將兩個光子晶體光纖的拋光面對準、貼合，在研磨區平坦段切割光纖，使切斷處光纖具有與單根光子晶體光纖相同的端面結構，得到Y分支光子晶體光纖。
[0018]根據本發明的光子晶體光纖耦合器的制備方法，其中，研磨、拋光處理光子晶體光纖時，為避免堵塞空氣孔，對光纖端面空氣孔施加氣壓保持空氣孔清潔。
[0019]根據本發明的光子晶體光纖耦合器的制備方法，其中，耦合器分光比可通過Y分支光子晶體光纖分光比來設置。Y分支光子晶體光纖的分光比可通過改變兩個光纖拋磨區過渡段長度來設定分光比，當兩拋磨面的過渡段長度相同時，理想貼合情況下分光比為50:50 ;另外，貼合兩光纖拋磨面時，通過調節拋磨面間的軸向位移或錯位可以調節輸出分光比，該過程可通過在Y分支光纖頂點處打光同時在兩個分支的輸出端記錄光功率來監測實現。
[0020]本發明一種光子晶體光纖耦合器的優點在于:
[0021]1、結構簡單、靈活，通過對光子晶體光纖研磨、貼合、切割、熔接/對接，即可獲得光子晶體光纖耦合器；通過Y分支光子晶體光纖的不同連接可實現1X2和2X2光子晶體光纖稱合器。
[0022]2、插入損耗低，除光纖接續引入的損耗外，耦合過程中只有輻射模引入損耗。
[0023]3、本發明具有良好的分束耦合功能，依靠Y分支纖芯的漸變實現平穩分光，分光比對波長敏感性大大降低。
[0024]4、本發明對光子晶體光纖的種類、結構沒有嚴格限制，應用范圍廣。
[0025]本發明一種光子晶體光纖耦合器提供了一種新的光子晶體光纖耦合器的制備方案，具有新的耦合性質和較低的插入損耗，在光通信和光傳感等領域有廣泛的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為光子晶體光纖拋磨前的端面及研磨深度示意圖；
[0027]圖1(a)為光子晶體光纖拋磨面貼合后的端面示意圖；
[0028]圖2為應用本發明的光子晶體光纖及拋磨示意圖；
[0029]圖3(a)為應用本發明的兩根光子晶體光纖的拋磨面貼合不意圖；
[0030]圖3(b)為拋光面貼合后形成的Y型光纖不意圖；
[0031]圖4為應用本發明制作的1X2光子晶體光纖耦合器示意圖；
[0032]圖5為應用本發明制作的2X2光子晶體光纖I禹合器不意圖；
[0033]圖6(a)為應用本發明的空芯光子晶體光纖拋磨前的端面及研磨深度示意圖；
[0034]圖6(b)為應用本發明的空芯光子晶體光纖拋磨面貼合后的端面示意圖；
[0035]圖7(a)為應用本發明的一種保偏光子晶體光纖拋磨前的端面及研磨深度示意圖；
[0036]圖7(b)為應用本發明的保偏光子晶體光纖拋磨面貼合后的端面示意圖；
[0037]圖8為不經過切割光纖直接產生的2X2光子晶體光纖耦合器示意圖。
[0038]附圖符號說明:
[0039]1、1':光子晶體光纖，2、2':光子晶體光纖拋磨面，3:Y分支光子晶體光纖頂點及端面，4、4':拋磨基塊，5、5':Υ分支光子晶體光纖，6:與Y分支光子晶體光纖連接的單根光纖，7:光纖連接區。
【具體實施方式】
[0040]為更清楚地說明本發明，下面將結合附圖和實例對本發明做進一步的詳細說明。[0041]本發明提供了一種新型光子晶體光纖耦合器設計方法。其關鍵是Y分支光子晶體光纖5的制作，首先，分別研磨兩根相同的光子晶體光纖1、1'，研磨至光纖中心處并對研磨面拋光；然后將兩光子晶體光纖的拋光面2、2'采用光膠工藝貼合；對貼合后的光纖切端面處理得到端面平整的Y分支光子晶體光纖5。取Y分支光子晶體光纖頂點3與單根光子晶體光纖6或與另一個Y分支光子晶體光纖5，頂點進行熔接(對接)，可分別得到分光比為50/50的1X2光子晶體光纖稱合器和2X2光子晶體光纖稱合器。
[0042]以Thorlabs公司的ESM_12_01無截止單模光子晶體光纖為實施例進行說明。首先對光纖研磨方向進行定位。將光子晶體光纖在研磨基塊上舒展放置，即光纖不發生扭轉。用顯微鏡觀測其端面放置方向是否符合預定要求并進行相應微調，直到滿足所需的研磨方向。定位后將光纖固定并開始打磨，可以采用光纖固定凹槽一端為水平方向的研磨基塊或者基塊組合來保證平坦段的切割精度。光子晶體光纖的研磨面結構參照圖2所示，研磨面分為平坦段和過渡段，根據一般經驗過渡段長度1'至少大于4cm。過渡段長度則關系到貼合后光纖的張角，并進一步影響耦合器插入損耗，研磨區過渡段的長度影響光纖張角，二者關系近似為:.(D-?λ
[0043]
【權利要求】
1.一種光子晶體光纖耦合器，其特征在于:包括:一個Y分支光子晶體光纖(5)與單根光纖(6)，或者兩個Y分支光子晶體光纖(5、5')，將兩根相同光子晶體光纖(1、1')側邊拋磨掉一半并貼合拋磨面，形成Y分支結構光子晶體光纖，Y分支光子晶體光纖(5)的頂點端面(3)與單根光子晶體光纖的端面相同，將Y分支光子晶體光纖(5)頂點與單根光纖(6)或另一個Y分支光子晶體光纖(5')頂點熔接或對接，形成光子晶體光纖耦合器。
2.根據權利要求1所述的光子晶體光纖耦合器，其特征在于:所述的光子晶體光纖為實芯光子晶體光纖或空芯光子晶體光纖，均包括保偏和非保偏光子晶體光纖。
3.根據權利要求1所述的光子晶體光纖耦合器，其特征在于:將Y分支光子晶體光纖(5)頂點與單根光纖(6)連接可獲得1X2光子晶體光纖耦合器；將￥分支光子晶體光纖(5)與另一個Y分支光子晶體光纖(5')頂點連接可獲得2X2光子晶體光纖耦合器。
4.根據權利要求1所述的光子晶體光纖耦合器，其特征在于:光束從Y分支光子晶體光纖(5)頂點輸入時，光束在平坦段纖芯內傳播與單根光纖相同，進入過渡段纖芯時纖芯緩慢展寬，滿足場的連續性條件，不會激發起高階模，僅是基模的寬度隨著波導的變寬而展寬并按相應分光比進入兩個分支光纖，兩束光相位相同，光強比近似等于分支點的光纖纖芯面積比，理想情況下其插入損耗只有分支點處產生的散射損耗。
5.根據權利要求1所述的光子晶體光纖耦合器，其特征在于:兩根光子晶體光纖貼合后光纖分支張角小于2°，以減小分支散射損耗，研磨區過渡段的長度1‘決定光纖張角，二者關系近似為:
6.根據權利要求1所述的光子晶體光纖耦合器，其特征在于:若拋磨后的兩根光纖貼合后不做切割處理，則其本身就是一個2X 2光子晶體光纖耦合器。
7.根據權利要求1所述的光子晶體光纖耦合器的制備方法，其特征在于:所述的Y分支光子晶體光纖(5)由兩根側面拋磨后的光子晶體光纖(1、1')貼合形成，其制備過程為: 步驟(1)、研磨前對研磨方向進行定位，使兩根光子晶體光纖的研磨方向相同，保偏光子晶體光纖的研磨方向選擇須不影響貼合后光纖的保偏結構； 步驟(2)、分別研磨光子晶體光纖，研磨深度為包層直徑的一半，可根據分光比要求改變研磨區過渡段的彎曲半徑，并對研磨面做拋光處理； 步驟(3)、采用光膠工藝將兩個光子晶體光纖的拋光面對準、貼合，在平坦段切割光纖，使切斷處光纖具有與單根光子晶體光纖相同的端面結構，得到Y分支光子晶體光纖。
8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于:在Y分支光子晶體光纖制備過程中，研磨、拋光處理光子晶體光纖時，為避免堵塞空氣孔，對光纖端面空氣孔施加氣壓保持空氣孔清潔。
9.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于:在Y分支光子晶體光纖制備過程中，耦合器分光比可通過調節Y分支光子晶體光纖分光比來設置，Y分支光子晶體光纖的分光比可通過改變兩個光纖拋磨區過渡段長度1’來設定，當兩拋磨面的過渡段長度相同時貼合后分光比為50:50 ;貼合兩光纖拋磨面時，通過調節拋磨面間的軸向位移或錯位可以調節輸出分光比，該過程通過在Y分支光纖頂點處打光同時在兩個分支的輸出端記錄光功率來監測實現。
【文檔編號】G02B6/255GK103499855SQ201310482796
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】楊遠洪, 代文, 楊明偉 申請人:北京航空航天大學